在農(nóng)民和蟲子之間無休止的戰(zhàn)爭(zhēng)的最近一次戰(zhàn)斗中，這些蟲子正在適應(yīng)通過基因工程殺死它們的作物。

發(fā)表在“美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上的一項(xiàng)新研究確定了一種顯性遺傳突變，該突變賦予棉鈴蟲(世界上最具破壞性的作物害蟲之一)毛蟲中的工程棉抗性。該研究對(duì)基因組學(xué)和基因編輯的前沿使用標(biāo)志著全球努力促進(jìn)更可持續(xù)的害蟲控制的新時(shí)代。

棉花，玉米和大豆已經(jīng)過基因工程改造，可以從廣泛存在的土壤細(xì)菌蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis)或Bt中生產(chǎn)殺蟲蛋白。這些環(huán)境友好型Bt蛋白質(zhì)對(duì)人類和野生動(dòng)物(包括蜜蜂)無毒，已被有機(jī)種植者用于噴霧劑超過50年，以及全球數(shù)百萬農(nóng)民種植的工程化Bt作物，自累計(jì)總面積超過20億英畝以來1996年。

亞利桑那大學(xué)，田納西大學(xué)和中國(guó)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的昆蟲學(xué)家合作進(jìn)行了這項(xiàng)由三部分組成的研究。他們的目標(biāo)是確定在棉鈴蟲中賦予Bt抗性的突變，精確編輯一個(gè)棉鈴蟲基因以證明這種突變導(dǎo)致抗性并發(fā)現(xiàn)抗性如何通過中國(guó)的棉田傳播。

“這是一個(gè)非凡的偵探故事，”UA昆蟲學(xué)系的Regents教授，該研究的共同作者Bruce Tabashnik說。“如果沒有遺傳技術(shù)的最新進(jìn)展，就不可能找到單個(gè)DNA堿基對(duì)的變化，導(dǎo)致棉鈴蟲基因組中數(shù)億個(gè)堿基對(duì)的抗性。”

多年來，科學(xué)家們已經(jīng)知道昆蟲可以進(jìn)化出對(duì)Bt蛋白的抗性，正如它們對(duì)常規(guī)殺蟲劑一樣。然而，在幾乎所有先前研究的病例中，Bt抗性是隱性遺傳的。這意味著昆蟲必須有兩個(gè)抗性基因拷貝 - 每個(gè)親本一個(gè) - 以使它們能夠在Bt作物上進(jìn)食和存活。

為了抵抗抵抗力，農(nóng)民種植非Bt作物的庇護(hù)所，那里的易感昆蟲可以茁壯成長(zhǎng)。這個(gè)想法是罕見的抗性昆蟲將與來自避難所的更豐富的易感昆蟲交配，產(chǎn)生僅含有一個(gè)抗性基因拷貝的后代。由于隱性遺傳抗性，這種后代不能在Bt作物上存活。

雖然避難所并不能完全阻止抵抗力的演變，但它們可以大大延遲 - 特別是當(dāng)阻力是隱性時(shí)。

但在中國(guó)，報(bào)告稱，對(duì)Bt的主要棉鈴蟲抗性正在上升。只有一個(gè)顯性突變的拷貝使棉鈴蟲抗性。

由于優(yōu)勢(shì)Bt抗性的遺傳基礎(chǔ)以前是未知的，研究人員不得不仔細(xì)檢查棉鈴蟲的整個(gè)基因組以找到罪魁禍?zhǔn)?。通過比較抗性和易感棉鈴蟲的DNA，他們將搜索范圍從17,000個(gè)基因縮小到僅有21個(gè)與抗性相關(guān)的基因區(qū)域。

“但這些基因中只有17種能編碼由毛蟲產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，”塔巴什尼克說，他解釋說，只有棉鈴蟲毛蟲以棉花為食，才能被Bt蛋白殺死。

“比較菌株間17個(gè)基因的序列，只有一個(gè)一致的差異，”Tabashnik說。“有一個(gè)位置，所有抗性棉鈴蟲都有一個(gè)DNA堿基對(duì)，所有易感棉鈴蟲都有不同的DNA堿基對(duì)。”

這個(gè)關(guān)鍵的堿基對(duì)位于一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的名為HaTSPAN1的基因中，該基因編碼四跨膜蛋白 - 一種含有跨越細(xì)胞膜的四個(gè)區(qū)段的蛋白質(zhì)。雖然HaTSPAN1的正常功能尚不清楚，但許多其他四跨膜蛋白在細(xì)胞間通訊中很重要。盡管先前對(duì)Bt或四跨膜蛋白進(jìn)行了近30,000次研究，但這項(xiàng)新研究首次發(fā)現(xiàn)它們之間存在緊密聯(lián)系。

鑒定突變堿基對(duì)，第二個(gè)挑戰(zhàn)是確定這個(gè)單一突變是否導(dǎo)致抗性。為了找到答案，研究小組使用基因編輯工具CRISPR來精確改變HaTSPAN1基因。當(dāng)基因在抗性棉鈴蟲中被破壞時(shí)，它們變得對(duì)Bt完全敏感。相反，當(dāng)突變被插入易感棉鈴蟲的DNA中時(shí)，它們變得具有抗性 - 證明單獨(dú)這一堿基對(duì)的變化會(huì)導(dǎo)致抗性。

最后一步是檢驗(yàn)這一突變有助于對(duì)田間Bt棉的抗性的假設(shè)。通過篩選2006年至2016年間收集的數(shù)千只保存的棉鈴蟲蛾的DNA突變，研究人員發(fā)現(xiàn)突變的頻率增加了100倍，從1/1000增加到1/10。

抗性棉鈴蟲還不足以明顯減少中國(guó)的棉花產(chǎn)量，但優(yōu)勢(shì)基因的傳播速度比其他抗性基因快。Tabashnik的分析預(yù)測(cè)，如果目前的趨勢(shì)持續(xù)下去，中國(guó)北方棉鈴蟲的一半將在五年內(nèi)產(chǎn)生這種突變所帶來的抗性。

塔巴什尼克說：“如果事情繼續(xù)沿著同樣的軌跡前進(jìn)，那么這種突變將給該領(lǐng)域的農(nóng)民帶來問題。”

然而，對(duì)于中國(guó)的農(nóng)民來說，改變他們的策略并抵御Bt阻力已經(jīng)足夠早了。該論文提到他們可以從僅產(chǎn)生一種Bt蛋白質(zhì)的棉花轉(zhuǎn)變?yōu)樵诿绹?guó)和澳大利亞種植的棉花類型，這些棉花產(chǎn)生兩種或三種不同的Bt蛋白質(zhì)。Tabashnik希望這項(xiàng)新研究能夠促進(jìn)農(nóng)民的可持續(xù)發(fā)展。

塔巴什尼克說：“它為他們提供了信息，以便在為時(shí)已晚之前做出建設(shè)性的，主動(dòng)的決定。”

通過每年對(duì)害蟲種群進(jìn)行抽樣，農(nóng)民和研究人員可以了解哪種方法對(duì)阻止抗藥性最有效。

了解棉鈴蟲抗性具有全球意義，因?yàn)樗l(fā)生在150多個(gè)國(guó)家，現(xiàn)在有可能侵入美國(guó)。

“在澳大利亞，印度和巴西的棉鈴蟲中篩選這種突變將會(huì)很有意思，”南京農(nóng)業(yè)大學(xué)昆蟲學(xué)教授Yidong Wu說。

當(dāng)然，掃描基因組的技術(shù)不限于一種作物害蟲。

“數(shù)據(jù)顯示，基因組掃描不僅有助于監(jiān)測(cè)Bt的抗性進(jìn)化，而且對(duì)于一般的殺蟲劑也有幫助。”Fred Gould說，他沒有參與這項(xiàng)研究，但是北卡羅來納州立大學(xué)昆蟲學(xué)教授和成員美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士。